Study on Compton-suppressed Phoswich Gamma-ray Detector of LaBr₃(Ce)-CsI(Tl)

闪烁体探测器在核物理实验中被大量地使用，尤其是LaBr₃(Ce)探测器，凭借良好的能量分辨和时间分辨在核物理实验中被广泛应用^[1-2]。但是，为了在实验中达到更好的能量分辨以及时间分辨，LaBr₃(Ce)探测器通常设计的尺寸较小，从而导致了部分伽马射线的能量无法完全沉积在探测晶体中，产生大量康普顿事件，致使能谱尤其是低能部分受康普顿本底的污染较为严重。

为了降低康普顿本底对能谱的影响，中国原子能科学研究院核结构研究组在之前的实验工作中尝试采用了LaBr₃(Ce)-BGO反康测量技术，将LaBr₃(Ce)探测器与HPGe专用的反康BGO组合使用，实验结果显示LaBr₃(Ce)的本底得到明显抑制，可以利用LaBr₃(Ce)-LaBr₃(Ce)快时间符合技术得到更好的时间谱^[3-4]。传统的反康谱仪虽然可以有效降低康普顿事件的影响^[5]，但最大的弊端在于占用空间较大，不适用于空间较小的场景，例如组建大型高效的探测阵列^[6]。可以预见，如果采用结构更合理的叠层技术，将在提高探测器性能的同时还能保持紧凑的结构。

本文重点介绍新研制的一种由LaBr₃(Ce)和CsI(Tl)闪烁体组成的3英寸直径的紧凑式叠层反康伽马探测器。利用Geant4进行蒙特卡罗模拟^[7-8]，验证脉冲形状甄别性能和反符合抑制效果。根据模拟的结果试制样机，并利用⁶⁰Co伽马源对样机进行测试。

对于紧凑式叠层伽马探测器，它将两种衰减时间不同的晶体叠加到一起，一个作为探测目标伽马射线全能峰的主探测晶体，另一种则用于探测康普顿散射的次探测晶体，两种晶体耦合到同一个光电倍增管(PMT)上，如图1所示。用于反康测量的次晶体将探测康普顿散射后逃逸出LaBr₃(Ce)探测器灵敏区的伽马光子，由于两种晶体的衰减时间不同，利用LaBr₃(Ce)晶体与次晶体耦合到同一个PMT上脉冲波形的差异来鉴别两种探测晶体的输出信号，通过数字化获取系统对康普顿事件信号进行处理，从而达到抑制康普顿本底的目标^[9]。

闪烁体探测器的脉冲形状甄别主要依据是不同晶体引起的光脉冲衰减率的差异。脉冲形状甄别方法通常分成以下两类：基于时间的方法和基于幅度的方法。在第一类中，常用的计时技术用于产生脉冲形状判别参数，包括过零法和直接上升时间测量法。在第二类中，探测器脉冲在两个并行脉冲处理分支中进行处理，两个分支的输出幅度的差异提供了脉冲形状甄别参数，电荷比较法属于这个类别。

早期的模拟电荷比较法基于PMT 电流脉冲与两个具有不同积分时间常数的RC 积分电路的积分。电荷数字转换器(QDC)的出现使得无需使用脉冲整形器就可以直接测量PMT 电流脉冲在不同时间间隔中包含的电荷。近年来, 数字化获取系统在核物理研究中得到了广泛应用，数字脉冲处理技术的发展使得粒子鉴别变成更加高效。数字电荷比较法通过现场可编程门阵列(FPGA)在线或者离线计算长、短时间间隔中脉冲采样的总和。无论采用模拟还是数字电荷比较法，积分区域持续时间的优化对于方法的整体性能很重要，应该针对所使用的探测器进行优化。本次测试采用的是电荷比较法。在电荷比较法中，利用脉冲波形甄别，通过对两个不同时间积分门内的脉冲进行积分得到PMT 输出脉冲的衰减时间差，从而给出输出脉冲的快、慢成分。积分时间门可以根据闪烁体的类型和实验条件设置。如图2所示，每个脉冲在数值上积分为仅覆盖脉冲快速分量的短积分门(Q_short)和覆盖整个脉冲的长积分门(Q_long)。短积分门通常在每个脉冲的峰值位置开始，并在最佳值处结束，脉冲的积分可以实时进行。依据两个积分值之比，就可以甄别不同晶体产生的信号信息。利用计算出的短积分值和长积分值，可以在快慢成分-能量二维图上生成散点图，其中不同衰减时间的事件将集中出现在单独的簇中。

为了选择合适的外层探测晶体，本工作对核物理实验中广泛应用的闪烁体晶体进行了筛选与模拟，包括塑料闪烁体、BGO晶体、NaI(Tl)晶体和CsI(Tl)晶体，主要对比了闪烁体的光产额、伽马半吸收厚度特性来选择候选的闪烁体，然后比较候选闪烁体的衰减时间。由于探测器预先考虑的直径尺寸为3英寸，需要高效率的外层晶体以达到更好的反康效果，塑料闪烁体的衰减时间约为0.9 ns，衰减时间短且效率低而不能满足要求。同时，与CsI(Tl)晶体相比，BGO晶体与NaI(Tl)晶体的衰减时间分别为300，630 ns，衰减时间相对较短，与LaBr₃(Ce)晶体衰减时间更接近不利于脉冲形状甄别。综上所述，CsI(Tl)晶体是外层探测晶体更好的选择。

为了确定叠层探测器脉冲形状甄别性能和反康效果，采用Geant4蒙特卡罗模拟软件对于紧凑式叠层探测器开展了模拟，Geant4是由欧洲核子中心CERN基于C++语言开发的一套开源的蒙特卡罗模拟软件，它主要用于模拟基本粒子穿过物质时发生的相互作用, 在核科学与技术领域有着广泛的应用^[7-8]。模拟的主要目的是作为探测器设计的参考，将模拟结果与测试结果对比，以便对探测器的性能进行评估。

CsI(Tl)晶体作为外层的次探测晶体，主要有以下优点：作为主探测器的LaBr₃(Ce)晶体，其衰减时间为16 ns，而CsI(Tl)晶体的衰减时间为1 000 ns，两种晶体衰减时间差异较大，更有利于脉冲形状甄别区分两种信号。图3是模拟得到的图，左边是当伽马光子能量全部沉积在LaBr₃(Ce)晶体以及沉积在两种晶体中的两种波形，右图是快慢成分-能量散点图，图中PID表示不同门宽的积分比值(Q_short/Q_long)，短门积分与长门积分比值越大，则沉积在LaBr₃(Ce)晶体中的能量越多。图3中，放大的区域为伽马光子的能量全部沉积在LaBr₃(Ce)晶体中的情况，下面为伽马光子的能量全部沉积在CsI(Tl)晶体中的情况；中间的区域为伽马光子的能量在单个晶体中未能完全沉积的情况；LaBr₃(Ce)晶体的光产额为63 000 photos/MeV，CsI(Tl)晶体的光产额为54 000 photos/MeV，两种晶体的光产额接近，探测效率接近，有利于组成反康叠层探测器；CsI(Tl)的密度为4.51 g/cm³，相对较大的密度有利于屏蔽并减少外界本底的污染。

利用Geant4蒙特卡罗模拟软件模拟了该探测器对⁶⁰Co源的探测效果。得到的能谱如图4所示，其中黑色的实线是图3直接投影得到的，即未进行反康的能谱；红色实线是图3中虚线框部分投影得到的，即进行反康之后的能谱。从图4中可以明显看出，在进行反康之后能谱的康普顿坪被明显压低，反康效果可以通过抑制系数体现出来。

计算康普顿本底面积时，康普顿本底范围的选择是根据散射光子和反冲电子的能量与散射角关系，即式(1)得出^[10]：

式中：$E_\gamma $为全能峰能量；${E_{{\gamma ^{'}}}}_{,\, \min }$为散射光子能量最小值；m₀为电子静止质量。利用式(1)，可以分别求得1 173、1 332 keV的康普顿散射的光子能量范围约为210~963 keV和214~1 118 keV。计算时选择的范围是1 173, 1 332 keV两条伽马射线的康普顿事件重合的部分，也就是214~963 keV。将未考虑反康情况的全能峰事件与康普顿事件比例(P/C)_un和反康情况下的全能峰事件与康普顿事件比例(P/C)相比，即可得到抑制系数(P/C)_un/(P/C)。P为能谱中1 173, 1 332 keV两条伽马射线的峰面积之和，C为能谱中214~963 keV的康普顿本底面积。

为了达到最好的脉冲波形识别效果，在模拟的过程中尝试了不同长度的时间门之后，确定短积分门为40 ns，而长积分门300 ns时效果最好。尝试将长积分门继续增长时，效果没有明显变化。最终从模拟结果中提取出的抑制系数为3.50(5)。

根据前期筛选与Geant4模拟最终确认的晶体种类，试制了一套紧凑式叠层闪烁体晶体，如图5(a)所示。外层井形CsI(Tl)晶体外径为76 mm，总高度70 mm，两侧端窗厚度10 mm；内部LaBr₃(Ce)晶体直径为38 mm，高度为50 mm。叠层闪烁体晶体耦合到了同一个光电倍增管上，制作成了一个紧凑式叠层探测器，如图5(b)所示。探测器所使用的配件为Hamamatsu公司R6233型号的PMT，E1198-27型号的分压器，E989-15型号的磁屏蔽外壳。光学硅脂使用Eljen公司生产的EJ550。随后，对叠层探测器进行了实验测试。

测试采用基于Pixie-16的通用数字化获取系统^[11-12]，为了实现最佳的鉴别效果，使用了500 MSPS-14 bit的采集模块。在Pixie-16模块的信号处理 FPGA中为每个通道计算八个长度可调的QDC积分；本研究中还对每个脉冲记录了4 μs的波形用于离线的长、短积分门宽的优化等。使用10 μCi的 ¹³⁷Cs和10 μCi的 ⁶⁰Co进行了刻度。放射源置于晶体正前方，通过调整放射源到晶体表面的距离，使得脉冲计数率大于10 k/s. 根据模拟得到的结果，在测试的过程中将短积分门与长积分门的宽度分别设为40和300 ns。全能峰的选择和康普顿本底的选择范围与模拟的选择范围相同，测试结果如下：

图6所示为实验测试得到的不同门宽积分比值(Q_short/Q_long)与能量的分布图。图中右上方所示区域为伽马光子能量全部沉积在LaBr₃(Ce)晶体的情况，中间部分是能量沉积在LaBr₃(Ce)和CsI(Tl)两种晶体的情况，左下方区域为伽马光子能量全部沉积在CsI(Tl)信号的情况。主信号下面的散点数据是由信号堆积引起的。

从图6中可以看出，来自不同晶体的两种信号能够明显区分开，可以用识别出的信号进行反康测量。探测器实验测试中，对不考虑反康和考虑反康两种情况的康普顿本底进行了对比测试分析。图7中黑色和红色两个能谱分别是由图6直接投影、虚线框中投影得到的，图中康普顿本底计数高的曲线(黑色)为加入反康之前的能谱，康普顿本底计数低的曲线(红色)为反康之后能谱。通过实验数据提取的抑制系数为2.33(1)。

在利用模拟的情况下得到的抑制系数为3.50(5)，相比之下，实验测试得到的抑制系数为2.33(1)，对于1 173, 1 332 keV全能峰的峰损为7.54(58)%。模拟得到的结果是在理想的情况下，实际测试中受耦合情况、光电倍增管效率等多种因素的影响，很难达到理想值。本工作研制的叠层探测器，将康普顿本底压低了2倍以上，也充分说明了该探测器有良好的反康测量效果。

本工作成功研制出了基于反康作用的紧凑式叠层伽马探测器。利用数字化获取系统，记录信号的波形，并根据同一种粒子在不同闪烁体中的波形，来进行粒子鉴别和反康分析，精确提取出快、慢成分进行反康测量，最终测得该叠层探测器的抑制系数为2.33(1)，全能峰峰损为7.54(58)%，为将来的应用打下了坚实的基础。紧凑式叠层反康伽马探测器，能够抑制康普顿本底对伽马能谱的干扰，与传统探测器相比，成本更低、结构更加紧凑。在接下来的工作中，将会继续对探测器进行改进优化，使探测器具备更好的实用性能。